高精度恒流源的設計與制作

米衛衛， 楊 風， 徐麗麗

（中北大學信息與通信工程學院 太原市 030051）

0 引言

本文設計了1～45mA連續可調高精度恒流源，為了達到要求先收集功能相近的若干現有電路，加以比較、分析各自的優缺點，然后取各家之長為我所用，做出基本方案，再通過計算、實驗、改進，完成任務。

1 幾種常見恒流源電路

恒流源分為流出(Current Source)和流入(Current Sink)兩種形式。

最簡單的恒流源，就是用一只恒流二極管。實際上，恒流二極管的應用是比較少的，除了因為恒流二極管的恒流特性并不是非常好之外，電流規格比較少，價格比較貴也是重要原因。

最常用的簡易恒流源如圖1所示，用兩只同型三極管，利用三極管相對穩定的be電壓作為基準，電流數值為：I = Vbe/R1。

圖1 最常用的簡易恒流源

這種恒流源優點是簡單易行，而且電流的數值可以自由控制，也沒有使用特殊的元件，有利于降低產品的成本。缺點是不同型號的管子，其be電壓不是一個固定值，即使是相同型號，也有一定的個體差異。同時不同的工作電流下，這個電壓也會有一定的波動。因此不適合精密的恒流需求。

為了能夠精確輸出電流，通常使用一個運放作為反饋，同時使用場效應管避免三極管的be電流導致的誤差。

典型的運放恒流源如圖2所示，如果電流不需要特別精確，其中的場效應管也可以用三極管代替。

圖2 典型的運放恒流源

電流計算公式為：I = Vin/R1。這個電路可以認為是恒流源的標準電路，除了足夠的精度和可調性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和調試。只不過其中的Vin還需要用戶額外提供。

從以上兩個電路可以看出，恒流源有個定式就是利用一個電壓基準，在電阻上形成固定電流。有了這個定式，恒流源的搭建就可以擴展到所有可以提供這個“電壓基準”的器件上。

2 1～45mA高精度恒流源的設計方案

2.1 整體框圖

整體框圖如圖3所示。

它主要由基準電壓源、比較放大器、調整管、采樣電阻等部分構成，電源為基準電壓源、比較器供電。簡單的說是電流串聯負反饋，具體的工作過程：通過采樣電阻把輸出電流轉變成電壓，反饋給比較放大器輸入端，再與基準電壓相比較，放大器把誤差電壓放大后去控制調整管的內阻對輸出電流進行調整、維持輸出電流恒定。

圖3 整體框圖

2.1.1 電源

選擇直流12V電壓源，給基準電壓源、比較器供電。12V電壓可以由220V市電經變壓、整流、濾波、8712穩壓輸出。電路如圖4所示。

由于12V電壓源比較普遍，并且穩定性能好，所以本設計中直接用12V電源提供12V電壓。

2.1.2 基準電壓源

基準電壓源選用常見的穩壓二極管LM385，LM385系列為微功率二端帶隙穩壓器二極管。設計工作于10微安到20mA的寬電流范圍。這些器件特征有非常低的動態阻抗，低噪聲以及隨時間和溫度穩定工作。通過片內微調可以實現嚴格的電壓誤差。該器件大動態的操作范圍使其適用于變化范圍很大的電源和具有優異調整能力的應用場合。

圖4 具體電路

2.1.3 比較放大器

比較放大器選用LM358，LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合 。

LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。

2.1.4 調整管

調整管選用D1071。D1071為低頻大功率NPN型達林頓管，6A,40W。

2.1.5 電阻

采樣電阻RS為46Ω的精密電阻，型號RII-81/4，精度為0.1%，溫度系數±25PPm/℃。

RV為10kΩ的滑動變阻器，實現比較器輸入電壓可調。從而使輸出電流可調。

2.1.6 測量顯示

為了實現對恒流源輸出電流進行實時監測，在負載電路中串聯一高精度電流表。對電流進行實時監測，可以用AD對采樣電阻的電壓進行采集，加單片機對數據進行處理，送顯示屏顯示。此處采用自帶AD的ATMEGA16單片機，對數據進行采集處理，送迪文顯示屏顯示，其圖見圖5。

其中，JTAG為程序下載接口，MAX3232有兩組串口，分別與PC和迪文屏連接。由于AD精度有限、數據處理存在誤差，而萬用表上的電流表測量部分比較常用，并且精度也能滿足要求，所以直接串聯高精度電流表。

圖5 顯示圖

2.2 原理圖

設計原理圖如圖6所示。

圖6 原理圖

它主要由基準電壓源、比較放大器、調整管、采樣電阻等部分構成，具體的工作過程：通過采樣電阻把輸出電流轉變成電壓，反饋給比較放大器輸入端，再與基準電壓相比較，放大器把誤差電壓放大后去控制調整管的內阻對輸出電流進行調整、維持輸出電流恒定。采用基本沒有溫度漂移的精密電阻作為采樣電阻，功率達林頓管作為調整管，實現高精度的目的。比較放大器的輸入電壓可調，從而實現恒流源的可調。用高精度電流表對輸出電流進行檢測，實現對恒流源輸出進行實時監測。此次所設計的恒流源具有精度高、結構簡單、工作穩定、操作方便、成本低廉等優點。

3 裝配與調試

如原理圖所示，連接電路。在萬能板上合理分配元器件的布局，認真焊接。注意LM385接1、2管腳，3空置，習慣平視時從左到右依次為1、2、3，1管腳接地。為了測量方便、穩定，負載電阻由固定阻值的電阻串聯，在萬能板上留出端子，直接接線即可。為了更好的應用此恒流源，負載電阻兩接線端接鳳凰端子，方便負載電阻的切換，對此恒流源無用，但有助于改進。

焊接好之后，先對其進行調試。通電之后，先用電壓表測量LM385兩端電壓，電壓在2.45V左右良好，否則檢查電路。移動RV，測量LM358的1管腳即輸出端電壓，至良好。觀察電流表是否有電流輸出，輸出則良好 。

4 測試與分析

4.1 測試內容

本電路的原理是調節RV可以改變輸入比較放大器的電壓，進而改變恒流源輸出電流的大小，通過電流表的讀數，對恒流源進行實時監測。

恒流源電流范圍，某一固定電流值時的帶負載能力。電流固定、負載固定在一定時間內，電流的波動。電流固定時，在其帶負載能力范圍內，電流的波動。

4.2 測試方法

4.2.1 證明輸出恒流

當電流固定，改變負載，電流表示數不變時，可證明其輸出為恒流。

4.2.2 測出恒流范圍

在某一負載下，移動RV，讀出電流表最大值及最小值，即為恒流源的范圍。

4.2.3 測出固定電流下的帶負載能力

在固定電流下，改變負載，電流表示數改變時的電阻值（一般取較小值），此電阻值即為在此電流下的恒流源的所能驅動的最大負載。

4.2.4 恒流源的精度

從兩個方面測量，一是受時間的影響，二是受負載的影響。即RV不變，RL在一定范圍內改變，觀察電流的波動；RV不變、RL不變，在一定時間內觀察電流的波動。

由于上述測量量之間有相互限制，所以開始時應反復測量。取合適值進行測量。

4.3 具體操作

4.3.1 電流固定，改變負載，記錄電流表示數

以15mA為例，取RL=46Ω，調節RV使電流表顯示數值為15mA，固定RV，調接RL觀察電流表示數（見表1）。

表1 (a) 測試數據

4.3.2 RL不變，RV改變，記錄電流范圍

選擇RL=46Ω，調節RV，讀出電流表的示數。得出恒流源量程范圍為0～49mA。

4.3.3 RV不變（固定一電流值），RL范圍

電流取值1～45mA 分別記錄RL

以15mA為例，取RL=46Ω，調節RV使電流表顯示數值為15mA，固定RV，調節RL,測量D1071的BC端電壓，電壓為負且電流表示數不變的最大RL值，多次反復測量得出最大值為580Ω。

按同樣的方法測得其它電流下的最大RL如表1所示（RL并非取的最大值，有一定的余量）。

4.3.4 恒流精度

⑴ RV、RL都不變，記錄電流的波動

以15mA為例，取RL=46Ω，調節RV使電流表顯示數值為15mA，固定RV，讀取電流表顯示值，取下電阻再次加上，再讀數重復5次。

取RL=7Ω、100Ω,重復以上實驗得出數據如表2所示。

表1 (b) 按同樣的方法測得其它電流下的最大RL

表2 取RL=7Ω、100Ω,重復以上實驗得出數據

⑵ RV不變，RL在一定范圍內改變，記錄電流的波動

夾放3次，記錄不同RL時的電流

以15mA為例，取RL=46Ω，調節RV使電流表顯示數值為15mA，固定RV。改變RL的值記錄電流表顯示數值，繪制成圖表見下，圖7為RL取7-301Ω，間隔約7Ω時，電流的波動。圖8為RL在7-580Ω，間隔約50Ω時，電流的波動。

⑶ RV不變、RL不變，在一定時間內電流的波動。

以15mA為例，取RL=46Ω，調節RV使電流表顯示數值為15mA，固定RV。經過24h,電流表顯示數值為 14.976mA（見表3）。

表3 24h,電流表顯示數值

4.4 數據分析

由表1可得，可以實現恒流輸出。

由實驗5.3.2可得， 此恒流源的范圍為0～49mA，滿足要求的 1～45mA。

由表2可得，電流越大，帶負載能力越弱，運用此恒流源時應注意其帶負載范圍。

由圖7圖8可見其具有恒流特性，因受環境、測量時間、地點及器件本身的影響，電流有一定的波動，由圖8可得，15 mA下其電流波動量最大為 Imax=15-14.94=0.06 mA，其精度為0.06/15*100%=0.4%,滿足其對精度 1% 的要求。

由實驗 5.3.4 的 (3)可得，（15-14.976）/15*100%=0.16%,即對于固定的電流、電阻，恒流源的精度為0.16%/24h,有很好的穩定性。

綜上所述，本恒流源具有結構簡單，器件普遍，操作方便，易于實現等特點。由于實驗測量過程中受溫度、濕度、器件本身、布線等的影響，恒流源測量時肯定有所影響。但在一定范圍內，滿足要求。

圖7 RL取7-301Ω，間隔約7Ω時，電流的波動

圖8 RL在7-580Ω，間隔約50Ω時，電流的波動

[1]北京電子報社.北京電子報合訂本[M].北京:北京電子報社,1990:79-88.

[2]M.普蘭特.電子愛好者讀本[M].北京:科學普及出版社,1983:195-197.

[3]吳潤宇.實用穩定電源[M].北京:人民郵電出版社,1994.

[4]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,1998.

[5]吳運昌.模擬集成電路原理與應用[M].廣州:華南理工大學出版社,1995.

[6]Paul M.Brown,Jr.A Guide to Analong ASICs[M].Academic Press ,Inc,San Diego,1992.

[7]Paul Horowitz,Winfield.The Art of Electronics[M],2nd ed,Cambridge University Press,1989.

[8]Thomas L.Floyd. Electronic Devices[M].5th ed,Prentice-Hall Inc,New Jersey,1999.

[9]趙學泉.電源電路[M].北京:電子工業出版社,1995.

[10]楊世成.信號放大電路[M].北京:電子工業出版社 ,1995.

[11]彭介華.電子技術課程設計指導[M].北京:高等教育出版社,2000.

[12]李青山.集成電子技術原理與工程應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1991.